南京郊區(qū)冬季霧與輻射特征的相互作用

0輻射冷卻與霧微觀結(jié)構(gòu)霧是天空中的大量微氣泡和冰晶浮游生物，使近層的水平能見度小于1.0km，通常為乳白色（中國氣候局，2007）。霧的出現(xiàn)對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、電力輸送、人體健康帶來很大危害(嚴(yán)文蓮等,2009)。長波輻射冷卻是影響霧形成和發(fā)展的重要因素(Duynkerke,1991;Shietal.,2010;陸春松等,2011)。加州西岸海霧研究結(jié)果表明,霧頂?shù)妮椛淅鋮s是海洋邊界層降溫、湍流形成和霧垂直向上發(fā)展的重要因子(Oliveretal.,1978;Leipper,1994;Koracinetal.,2001,2005;Lewisetal.,2004)。對陸地霧的數(shù)值模擬結(jié)果也表明,霧頂?shù)妮椛淅鋮s是霧形成和發(fā)展的主要原因,而太陽短波輻射加熱促使霧進入消散階段(董劍希等,2006;何暉等,2009;胡朝霞等,2011)。輻射冷卻對霧微結(jié)構(gòu)也有顯著影響。霧頂長波輻射冷卻與霧滴凝結(jié)增長之間存在一種正反饋機制,長波輻射冷卻使大氣達(dá)到過飽和,進而導(dǎo)致霧滴凝結(jié)增長,霧滴凝結(jié)又會增強霧頂?shù)妮椛淅鋮s降溫(Haeffelinetal.,2010)。霧的微物理參量隨時間快速變化,這種高頻的隨機變化過程中存在低頻的準(zhǔn)周期變化特征,微物理參量的這種高頻隨機變化是由間歇性的湍流混合過程引起的(Piliéetal.,1975;Gerber,1991;徐杰等,2009)。而關(guān)于微物理參量的準(zhǔn)周期振蕩產(chǎn)生的原因,有學(xué)者提出輻射冷卻造成的霧滴凝結(jié)增長和大滴重力沉降導(dǎo)致的含水量消耗之間的相互作用可能導(dǎo)致了霧微結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)周期振蕩(Bott,1991;黃玉生等,2000;唐浩華等,2002)。反之,霧過程的出現(xiàn)又可以改變近地層的輻射特征(陸春松等,2011)。目前,利用外場觀測和數(shù)值模式研究輻射通量對霧形成、發(fā)展、消散的影響已取得了豐碩成果,而凈輻射通量對霧微觀結(jié)構(gòu)的影響以及霧微觀結(jié)構(gòu)對太陽短波反射率的影響研究相對較少(Niuetal.,2010)。通過分析凈輻射通量對霧微觀結(jié)構(gòu)的影響,可以深化對霧生消機制的認(rèn)識。此外,霧的形態(tài)可看作是接地的云,了解霧微觀結(jié)構(gòu)對太陽短波反射率的影響,對于研究氣溶膠的間接氣候效應(yīng)也有一定幫助。1冬季霧外場觀測長三角地區(qū)霧以冬季霧為主,每年10月—次年1月是該地區(qū)霧的高發(fā)期,其中11月霧發(fā)生頻次最高(余慶平和孫照渤,2010;周偉燦和魏煒,2010;杜坤等,2011)。本文選用2006—2009年11—12月南京信息工程大學(xué)(32°12′N,118°42′E,25ma.s.l.)冬季霧外場綜合觀測資料(Liuetal.,2012;Niuetal.,2012),試驗期間共觀測到29次霧過程,其中輻射霧16次。觀測內(nèi)容包括霧的邊界層結(jié)構(gòu)、霧微物理結(jié)構(gòu)、霧水化學(xué)特性、大氣氣溶膠粒子譜及化學(xué)成分、輻射特性、湍流結(jié)構(gòu)、通量特征及常規(guī)氣象觀測項目。1.1粒子尺度觀測和輻射通量密度測量霧微物理參量由FM-100霧粒子譜儀(DMT,美國)進行測量,可測量霧滴的前向散射光強度和霧滴個數(shù),并根據(jù)散射截面與霧滴直徑的函數(shù)得到霧滴的尺度。FM-100霧粒子譜儀的激光波長為680nm,可測量的粒子數(shù)濃度范圍是0～5000cm-3,激光前向散射所測粒徑范圍是2～50μm,粒子尺度分檔可選擇10、20、30或40檔,數(shù)據(jù)輸出頻率可設(shè)置為0.1～10Hz。觀測期間采用20檔記錄霧滴個數(shù),數(shù)據(jù)輸出頻率設(shè)置為1Hz。輻射通量密度由CNR1凈輻射觀測儀(Campbell,美國)進行測量,它由兩組傳感器表面分別向上和向下的日射強度計和地面輻射強度計組成,可測量入射太陽短波輻射通量密度和長波紅外輻射通量密度、地表反射的短波輻射通量密度和發(fā)射的長波紅外輻射通量密度。日射強度計和地面輻射強度計可測量的波長范圍分別為305～2800nm和5.0～50μm,可測量的輻射分量和凈輻射通量密度的范圍分別是0～2000W·m-2和-250～+250W·m-2,短波輻射和長波輻射測量的分辨率分別為0.1和0.01W·m-2,測量相對誤差小于±2%。傳感器以1Hz的采樣頻率獲取輻射分量信息,可編程控制輸出資料(輻射分量的平均值)的時間周期:1s～1h,觀測期間設(shè)置為每1min輸出1組輻射分量的平均值。1.2物理參量和參量根據(jù)DMT公司提供的FM-100霧粒子譜儀使用說明,儀器采樣的氣流速度(va,單位為m·s-1)和單位時間采樣體積(V,單位為cm3·s-1)可根據(jù)下述公式進行計算:va=20.06×M×T0.5a,(1)V=va×S。(2)其中:M是由動態(tài)氣壓和靜態(tài)氣壓得出的馬赫數(shù),單位為mb;Ta是環(huán)境氣溫,單位為K;S=0.264mm2為采樣面積;n(r)是霧滴數(shù)密度,由每檔霧滴個數(shù)除以V×Δr得到,單位為cm-3·μm-1;r是霧滴半徑,單位為μm。描述霧微物理特征的物理參量根據(jù)公式(3)—(7)計算,N=∑n(r)Δr,(3)rm=1N∑rn(r)Δrrm=1Ν∑rn(r)Δr,(4)re=∑r3n(r)Δr∑r2n(r)Δrre=∑r3n(r)Δr∑r2n(r)Δr,(5)L=1×10?6×ρ×∑4π3r3n(r)ΔrL=1×10-6×ρ×∑4π3r3n(r)Δr,(6)σ=(1N∑(r?rm)2n(r)Δr)12σ=(1Ν∑(r-rm)2n(r)Δr)12。(7)其中:N是霧滴數(shù)濃度,單位為cm-3;rm是平均半徑,單位為μm;re是有效半徑,單位為μm;L是霧含水量,單位為g·m-3;σ是霧滴譜標(biāo)準(zhǔn)差,單位為μm;ρ=1g·m-3為水的密度。2輻射通量密度sem定義地面的凈輻射通量密度(Rn)為太陽短波輻射通量密度和長波輻射通量密度之和:Rn=E*s+E*l=(Eds-Eus)+(Edl-Eul)。(8)其中:Eds是入射的太陽短波輻射通量密度(包括太陽直接輻射和天空散射輻射之和);Eus是地面對入射短波輻射的反射;Edl是入射的長波輻射通量密度(即大氣逆輻射);Eul是地面向上的長波輻射通量密度(包括地面發(fā)射的長波輻射和地面反射的部分大氣逆輻射)。凈輻射通量密度為負(fù)值時,地面降溫冷卻,可使得近地層空氣相對濕度增加,有助于水汽凝結(jié)形成霧滴;凈輻射通量密度為正值時,地面升溫,易導(dǎo)致霧滴蒸發(fā)和下墊面水分蒸發(fā)。2.1凈輻射通量密度的影響圖1給出了霧過程中各微物理參量隨地面凈輻射通量密度(Rn)的變化特征。可以看出,霧發(fā)生時地面凈輻射通量密度變化范圍為-25～+150W·m-2,介于-25～0W·m-2的數(shù)據(jù)最集中。地面凈輻射通量密度為-5～0W·m-2時,霧滴數(shù)濃度(N)、平均半徑(rm)、液態(tài)含水量(L)較大,并隨著地面凈輻射通量密度增加或減少而迅速減小(圖1a—1c)。出現(xiàn)這種特征的原因主要包括以下兩方面。第一個原因是與霧的生消過程有關(guān)(馬國忠和銀燕,2010;魏建蘇等,2010;楊軍等,2010)。霧多形成于傍晚或凌晨,并在正午前后消散。圖2給出了兩次霧過程(2007年12月13日19:00—14日14:00;2007年12月14日19:00—15日14:00)中輻射通量密度分量的變化特征。日落后,地表失去太陽短波輻射加熱,而地面向上的長波輻射通量密度始終大于大氣逆輻射(地面凈輻射通量密度為負(fù)),地面和近地層大氣溫度逐漸降低,近地層大氣的相對濕度逐漸增大并接近飽和(圖2)。霧形成后,阻礙了地表熱通量向上輸送,大氣逆輻射逐漸增大,使得地面向上的長波輻射通量密度與大氣逆輻射之差逐漸減小(地面凈輻射通量密度逐漸接近于0W·m-2)。相應(yīng)地,隨著霧過程發(fā)展,霧層的霧滴數(shù)濃度、霧滴平均半徑、液態(tài)含水量逐漸增大,使得霧微物理參量與地面凈輻射通量密度(介于-25～0W·m-2之間)呈正相關(guān)關(guān)系。至日出前后,地面凈輻射通量密度接近于0W·m-2,而霧的成熟期也多出現(xiàn)在此階段,此階段霧的微物理特征是霧滴數(shù)濃度、平均半徑、最大半徑、有效半徑、液態(tài)含水量均出現(xiàn)整個霧過程的最大值(圖2)。與之對應(yīng),霧中各微物理參量的高值多集中在Rn=0W·m-2附近。日出后,在太陽短波輻射加熱作用下,地面凈輻射通量密度由負(fù)轉(zhuǎn)正,下墊面和近地層大氣開始升溫。一方面,使得近地層相對濕度減小,霧層中的霧滴蒸發(fā),從而導(dǎo)致霧滴數(shù)濃度、平均半徑、液態(tài)含水量減小;另一方面,下墊面溫度升高,使得凝附在下墊面表面和保存在土壤中的水分蒸發(fā),使近地層大氣中的水汽含量增加,有利于霧滴活化和凝結(jié)增長。因而,隨著地面凈輻射通量密度(大于0W·m-2時)增加,霧中各微物理參量逐漸降低,但下降趨勢較緩。出現(xiàn)這種特征的第二個原因是,近地層大氣層結(jié)的影響。地面凈輻射通量密度為負(fù)值時,下墊面持續(xù)降溫,會使得近地層大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,水汽和霧滴在近地層累積;而地面凈輻射通量密度為正值時,下墊面和近地層大氣升溫,大氣層結(jié)趨于不穩(wěn)定,有利于水汽和霧滴向上輸送,也會導(dǎo)致霧滴數(shù)濃度和液態(tài)含水量減小。與霧滴數(shù)濃度、平均半徑和液態(tài)含水量不同,地面凈輻射通量密度大于0W·m-2后,隨著凈輻射通量密度增大,霧滴最大半徑和有效半徑減小緩慢(圖1d—1e)。這也說明近地層增溫對大霧滴的影響較小;霧滴平均半徑減小主要是由小霧滴蒸發(fā)、尺度減小造成的;這也與K?hler方程得出的結(jié)果一致。根據(jù)K?hler方程,不考慮液滴的溶質(zhì)效應(yīng)時,液滴半徑減小會使液滴增長所需的平均水汽壓增大;因而,在一定的水汽壓環(huán)境中,小滴較大滴更易于蒸發(fā),從而使得霧滴平均半徑迅速減小,而霧滴最大半徑減小較為緩慢。霧滴譜的標(biāo)準(zhǔn)差隨凈輻射通量密度的變化特征與其他微物理參量完全不同,地面凈輻射通量密度大于0W·m-2后,隨著凈輻射通量密度增大,霧滴譜的標(biāo)準(zhǔn)差逐漸增大(圖1f)。這是由于凈輻射加熱造成的霧滴蒸發(fā)主要是小霧滴,而大霧滴蒸發(fā)較少,從而使得霧滴譜峰值較為平緩,霧滴譜的標(biāo)準(zhǔn)差增大。2.2凈輻射通量密度對霧微物理結(jié)構(gòu)的影響為了進一步分析凈輻射通量密度對霧微物理結(jié)構(gòu)的影響,本節(jié)對凈輻射通量密度與霧滴譜間的關(guān)系進行討論。輻射對霧滴譜的影響主要是對半徑小于5μm的小霧滴,而半徑大于10μm的大霧滴數(shù)密度(n(r))變化很小(圖3)。地面凈輻射通量密度大于0W·m-2后,凈輻射通量密度越大,半徑小于5μm的霧滴數(shù)密度越小,且霧滴半徑越小,霧滴數(shù)密度減小得越快,這也與上一節(jié)的推斷結(jié)果一致。凈輻射通量密度大于150W·m-2時出現(xiàn)的峰值受個別持續(xù)時間較長的平流霧或平流—輻射霧過程影響。為了分析霧發(fā)展過程中凈輻射通量密度對霧微物理結(jié)構(gòu)變化的影響,以5min為間隔,統(tǒng)計霧滴數(shù)濃度(N)和霧滴譜(n(r))的平均值,計算t時刻與t-1時刻霧滴數(shù)濃度(N)和霧滴譜(n(r))平均值的差值,并分析霧滴數(shù)濃度變量(ΔN)和霧滴譜變量(Δn(r))與凈輻射通量密度(Rn)的關(guān)系(圖4)。由圖4可以看出,凈輻射通量密度介于-50～+25W·m-2時,霧滴數(shù)濃度變量(ΔN)和霧滴譜變量(Δn(r))為正值,且逐漸增大。當(dāng)?shù)孛鎯糨椛渫棵芏仍诖朔秶鷥?nèi)變化時,霧層中霧滴數(shù)濃度是逐漸增加的(ΔN>0),尤其是日出前后霧滴數(shù)濃度增加顯著(ΔN值較大);且霧滴半徑越小,霧滴數(shù)密度增大越顯著。這也說明近地層輻射冷卻,空氣相對濕度增大,有利于霧滴活化和凝結(jié)增長;而日出前后弱的輻射增溫,使得下墊面水凝物和土壤中水分蒸發(fā),為小霧滴的生成和增長提供了充足的水汽,這也是日出后霧層得以繼續(xù)維持和發(fā)展的原因之一。地面凈輻射通量密度為正時,霧滴數(shù)濃度(N)和不同尺度霧滴數(shù)密度(n(r))以減少為主,特別是半徑小于5μm的小霧滴數(shù)密度減少明顯,這也進一步證實了前述推斷;隨著凈輻射通量密度(Rn)增大,霧滴數(shù)濃度(N)和霧滴譜數(shù)密度(n(r))逐漸減小,因而霧滴數(shù)濃度變量(ΔN)和霧滴譜變量(Δn(r))也顯著減小。3霧微物理參量對太陽波長反射率的影響云是影響地—氣系統(tǒng)輻射平衡的重要因素,而云的輻射特性是由云的微物理結(jié)構(gòu)所決定的,分析霧微物理結(jié)構(gòu)變化對太陽短波輻射反射率的影響,有助于研究人類活動對地—氣系統(tǒng)輻射平衡的影響。從太陽短波反射率隨霧微物理參量的變化可以看出,太陽短波反射率的變化主要受霧滴數(shù)濃度(N)、平均半徑(rm)和液態(tài)含水量(L)的影響,霧滴最大半徑(rmax)和有效半徑(re)對太陽短波反射率的影響相對較小,而霧滴譜的標(biāo)準(zhǔn)差(σ)對太陽短波反射率基本沒有影響(圖5a—5f)。隨著霧滴數(shù)濃度、平均半徑和液態(tài)含水量增大,霧層對太陽短波輻射的反射率逐漸增大。霧過程中,霧滴數(shù)濃度和液態(tài)含水量每增大100cm-3和0.001g·m-3,引起的太陽短波反照率的變化分別為5.29×10-3和1.18×10-4。4地面凈輻射通量密度利用2006—2009年南京郊區(qū)(南京信息工程大學(xué))冬季霧綜合觀測資料,分析了凈輻射通量密度對霧微物理結(jié)構(gòu)的影響以及霧微結(jié)構(gòu)發(fā)展對太陽短波反射率的改變,得出以下結(jié)論:1)霧發(fā)生時地面凈輻射通量密度變化范圍為-25～+150W·m-2,介于-25～0W·m-2之間的數(shù)據(jù)最集中。霧中各微物理參量的高值多集中在地面凈輻射通量密度為-5～0W·m-2時,并隨著地面凈輻射通量密度增加或減少而迅速減小。2)凈輻射通量密度介于-50～+25W·m-2時,霧層中霧滴數(shù)濃度逐漸增加(ΔN>0),尤其是日出前后霧滴數(shù)濃度增加顯著(ΔN值較大);且霧滴半徑越小,霧滴數(shù)密度增大越顯著。這也說明近地層輻射冷卻或弱增溫,有利于